春节过后，人们开始向往春天和随之而来的夏天。动物界亦是如此。最具代表性的是一些候鸟，它们很快就会开始为全球范围内的长途迁徙做准备。其中，黑颈鹤和斑头雁每年都要迁徙到青海湖进行繁殖。青海湖地处青海高原东北部的青海湖盆地内，位于西宁市西北部100公里外，是中国第一大内陆湖泊。黑颈鹤在云贵等地过冬，到了春天就一路向北飞行3000公里来这里。而斑头雁冬天的活动范围则更往南，远到印度，因此，它们所面临的旅程也更加艰难：一方面是路途遥远，另一方面斑头雁冬天的栖息地与海平面齐平，夏天的繁殖地的海拔则高达3000米，横亘其间的是高大的喜马拉雅山脉。它们至少要飞行到海拔5000米的高度才能逾越这道令人望而生畏的屏障。通过飞行爬升到如此高度并非易事，在这个海拔高度，空气的密度大概只有海平面的一半，因此鸟儿通过振动翅膀产生升力就要消耗更多能量。另外，氧的分压也同样会降低，这也会阻碍它们获得足够的氧气来补给飞行过程的消耗。 

　　直到几年前，鸟类如何实现这一壮举的动力学机制还是个谜，但2011年美国科学院院刊（PNAS）一篇里程碑式的文章为我们揭示了它们是如何做到这一点的。文章作者用全球定位系统（GPS）跟踪这些迁徙的鸟儿，发现它们通常一天之内就可以飞越喜马拉雅山，在6～7个小时内就从海平面高度的出发点一鼓作气飞到海拔6000米。最令人惊讶的是，白天会有南风吹上山脊，这些鸟儿本可以充分借助这些风来减小能量消耗，然而，斑头雁并不这么做；相反，它们等到相对平静的夜晚，完全靠自己的体力来完成这一飞越。  

　　斑头雁和黑颈鹤在飞行中有一个共同特点，就是它们经常是以某种队形来飞行的。队形多种多样，但通常是后面的鸟儿飞在前一只鸟的侧后方，因此就有了常见的“人”字形队形。几十年来，关于鸟儿为什么以这样的队形来迁飞有许多猜测，有两种观点比较流行。 

　　第一种观点认为，人字队形与定向有关。以斑头雁飞越喜马拉雅山为例，该行程需要找到和穿越几个高海拔的通道，利用这些通道也许能节省几千米的上升高度。斑头雁的寿命有20～30年，有些个体已经从印度向北迁飞了许多次。因此，很可能是年长有经验的斑头雁在队伍的前面带路，取道最经济的路线，而无需飞越最高的山峰（这也偶有发生，比如有小群鸟儿飞越珠穆朗玛峰的情形）。这一观点带来了几个难以回答的问题：为什么鸟儿要保持人字形队列，而不是一只紧跟一只？另外，保持队形似乎只是黑颈鹤、斑头雁这样体型较大的鸟类的特征。许多小型的候鸟成群迁飞时，通常是处于混乱的模式。虽然它们也有定向的需求，但没有排成人字形也没有问题。 

　　第二种观点认为，这种按一定队形迁飞的行为与节约能量以降低迁徙飞行的能量消耗有关。在最近冬奥会上的速滑项目和夏季奥运会的自行车项目中也你会看到类似的行为。在比赛中，速滑或自行车运动员以一种很紧凑的队形前进，一名运动员在前，另外三名依次紧随其后。速滑和自行车比赛中，很重要的一部分体能消耗是为了克服空气阻力。后面的三名选手都能受益，因为这种队形能减少他们所受到的空气阻力，但前面开路的选手由于需要克服全部阻力很容易精疲力尽。因此，在速滑和自行车比赛中，参赛选手会轮流在前面开路，从而保证大家都能同等受益。对以人字形队列迁徙的鸟进行仔细观察发现，它们也是采用这种团队协作的方式，前面带路的鸟儿不时与后面的鸟儿换位。那么，如果以队形的形式迁飞是为了减小空气阻力，为什么鸟儿不选择以直线的队形来飞行？因为一个紧跟一个飞行似乎能最大程度地减小跟随者需要克服的空气阻力。毫无疑问，速滑或自行车团队如果采用人字队形是不可能拿到冠军的。飞行运动与陆地上的运动一个关键的不同点是，飞行运动除了要克服水平方向上的空气阻力，还需要产生保持飞行状态的上升力。自行车运动员和速滑运动员没有这个问题，因为他们有地面反作用力的支撑。也许，飞行时稍微偏移位于前面的同伴，并不能在最大程度上减少空气阻力，但能够在某种程度上减少跟随的鸟儿保持升力的体能消耗。  

　　事实上，我们有足够的理由相信这一推断。飞行中的鸟的翅膀会形成一股涡旋状的循环气流。当你从鸟儿的背后来观察时就会发现这个循环气流，来自右边翅膀的涡流逆时针旋转，而来自左边翅膀的涡流则顺时针旋转，那么在正中间，即鸟儿正后方尾随的两股涡流中，气流都是向下的，而两侧的气流都是向上的。这样一来，鸟儿没有选择紧跟在同伴的正后方飞行的原因就显而易见了。如果鸟儿飞在同伴的正后方，那么它将处于向下的气流中，这额外增加了它们维持飞行状态的能耗。相反，当位于同伴的后侧方时，它们可以利用这一向上的气流，得到升力。这确实有效。有人曾经驾驶轻型飞机并保持相互之间稍微偏移，他们发现，当尾随的飞机处于前面飞机机翼涡流的向上气流中时，消耗的燃料显著低于前面的飞机。以这种方式节约的燃料能够多达18%，这个效应广泛应用在军用飞机中以降低油耗。然而这对于大型客机并不适用，因为要达到节油效果，飞机需要足够靠近，这会增加安全风险。 

　　这就引出一个问题，若想从空气涡流中获益，飞行时所处的位置必须是非常精确的。这对鸟儿来说更难，因为鸟的翅膀上下振动，所产生的涡流也随着时间、空间而不断变化。有人认为，这可能解释了为什么以一定队形迁飞仅限于体型较大的鸟类。飞行的动物，其翅膀拍打的频率是与体型成反比的。昆虫翅膀振动的频率大概是50～60赫兹，像麻雀这样的小型鸟类翅膀拍打的频率为12～15赫兹，而体型较大的雁和鹤翅膀拍打的频率就低得多，分别为4～5和3～4赫兹。对于小型的鸟，准确跟踪涡流是不太可能的，这就是它们通常并不以某种队形迁飞的原因。 

　　上述观点尽管听起来很有说服力，但多年来许多研究人员指出，通过跟踪尾迹的涡流来确定最佳的飞行位置，即便对大体型鸟类来说也非常困难，所以，这一节约能量的观点可能也不正确。这就是所谓的“动态尾迹”问题。然而，一项以秃寰为对象的出色研究证实了鸟类的人字队形能够节约能量的观点，研究结果最近发表在《自然》（Nature）杂志上。这项工作是由Portugal博士及其同事们完成的，他们选取在奥地利维也纳动物园饲养的一群秃寰为实验对象。小秃寰孵化出4个月后，开始训练它们跟在一架动力伞的后面飞行，研究人员能够从鸟儿的视角来观察这个队形内部的情形，文章中展示了一些非常精彩的影像资料。（http://www.nature.com/nature/journal/v505/n7483/full/nature12939.html?WT.ec_id=NATURE-20140116#videos）

　　最核心的数据是通过在这些鸟儿身上安装GPS记录仪，来记录它们从奥地利到意大利的长途迁徙飞行获得的。GPS记录仪以5赫兹的频率报告每只鸟的位置，因此位置精度能达到0.3米，速度记录精度能达到0.1米/秒。这样就能够持续地记录每只鸟相对于最佳位置的位置，并生成体现它们位置变换的图像。进一步的记录包括翅膀振动的模式，揭示了不同个体之间的关系。研究者们通过整合空间数据和翅膀振动的数据来追踪每一只鸟相对于前面的鸟都做了什么。所有14只鸟的加速度数据的采样频率为300赫兹，而采样频率为5赫兹的位置数据则通过插值增加到300赫兹，这样数据流偏高，因此整篇文章就是基于一段时长只有7分钟的列队飞行片段。 

　　这些数据充分显示，当以人字队形飞行时，这些鸟非常擅长保持在前一只鸟身后的一个相对来说很小的目标区域，这个区域非常接近由固定翼空气动力学理论所预测的最佳位置。然后，大概最令人吃惊的是，这些鸟能保持它们的翅膀振动与前面的鸟在时间上同步，以最大限度地利用上升气流。这涉及到非常复杂的对振翅的控制，也就是翅膀的振动要基于前面那只鸟的确切空间位置。实际上，如果一只鸟由于某种原因落到前面那只鸟的正后方，它就会开始与前面的鸟完全不同步地扇动翅膀，以减小这个区域中下降气流的影响。它们是如何掌握这个本领的依然不清楚。Portugal和他的同事们认为，那些以人字形队列飞行的鸟儿们非常清楚它们身边的尾流结构，能不断地调整它们相对于最近同伴的位置和扇动翅膀的节奏，以尽量节省体能。如果在飞行中节省体能与飞机编队飞行节约燃料类似，这些鸟也许不需要有意识地去追踪尾流，而只需要凭感觉飞在最省力的位置上。毕竟，如果我紧跟在某个人身后骑行以减少阻力，我并不需要知道关于前面这个人身边气流的动力学的任何事情——只不过这样骑比并排骑省力罢了。大概列队飞行也同样，在某些区域里自然就感觉更好些。 

　撰文/约翰·斯皮克曼　责任编辑/方 晨 

　　（摘自《科学世界》2014年第4期）